Brug af DNA-skabeloner til at udnytte solens energi

Mens verden kæmper for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter energi, sammen med de stigende niveauer af CO ₂ i atmosfæren fra skovrydning og brug af fossile brændstoffer, fotosyntese i naturen kan simpelthen ikke følge med kulstofcyklussen. Men hvad nu hvis vi kunne hjælpe det naturlige kulstofkredsløb ved at lære af fotosyntesen for at generere vores egne energikilder, der ikke genererede CO ₂ ? Kunstig fotosyntese gør netop det, det udnytter solens energi til at generere brændstof på måder, der minimerer CO ₂ produktion.

I en nylig artikel offentliggjort i Journal of the American Chemical Society ( JACS ), et team af forskere ledet af Hao Yan, Yan Liu og Neal Woodbury fra School of Molecular Sciences og Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics ved Arizona State University rapporterer om betydelige fremskridt med at optimere systemer, der efterligner den første fase af fotosyntesen, opfanger og udnytter lysenergi fra solen.

Minde om, hvad vi lærte i biologiklassen, det første trin i fotosyntesen i et planteblad er indfangning af lysenergi af klorofylmolekyler. Det næste trin er effektivt at overføre den lysenergi til den del af det fotosyntetiske reaktionscenter, hvor den lysdrevne kemi finder sted. denne proces, kaldet energioverførsel, forekommer effektivt i naturlig fotosyntese i antennekomplekset. Ligesom antennen på en radio eller et fjernsyn, opgaven med det fotosyntetiske antennekompleks er at samle den absorberede lysenergi og lede den til det rigtige sted. Hvordan kan vi bygge vores egne "energioverførselsantennekomplekser", dvs. kunstige strukturer, der absorberer lysenergi og overfører den over afstand til, hvor den kan bruges?

"Fotosyntese har mestret kunsten at indsamle lysenergi og flytte den over betydelige afstande til det rigtige sted, hvor lysdrevet kemi kan finde sted. Problemet med de naturlige komplekser er, at de er svære at reproducere fra et designperspektiv; vi kan bruge dem som de er, men vi ønsker at skabe systemer, der tjener vores egne formål, " sagde Woodbury. "Ved at bruge nogle af de samme tricks som naturen, men i sammenhæng med en DNA-struktur, som vi kan designe præcist, vi overvinder denne begrænsning, og muliggør skabelsen af ​​lyshøstsystemer, der effektivt overfører lysets energi, hvor vi ønsker det."

Yans laboratorium har udviklet en måde at bruge DNA til selv at samle strukturer, der kan tjene som skabeloner til at samle molekylære komplekser med næsten ubegrænset kontrol over størrelsen, form og funktion. Brug af DNA-arkitekturer som skabelon, forskerne var i stand til at aggregere farvestofmolekyler i strukturer, der fangede og overførte energi over titusvis af nanometer med et effektivitetstab på <1 % pr. nanometer. På denne måde efterligner farvestofaggregaterne funktionen af ​​det klorofylbaserede antennekompleks i naturlig fotosyntese ved effektivt at overføre lysenergi over lange afstande fra det sted, hvor det absorberes, og det sted, hvor det vil blive brugt.

For yderligere at studere biomimetiske lyshøstkomplekser baseret på selvsamlede farvestof-DNA nanostrukturer, Yan, Woodbury og Lin har modtaget et tilskud fra Department of Energy (DOE). I tidligere DOE-finansieret arbejde, Yan og hans team demonstrerede nytten af ​​DNA til at tjene som en programmerbar skabelon til aggregering af farvestoffer. For at bygge videre på disse resultater, de vil bruge de fotoniske principper, der ligger til grund for naturligt lysindsamlingskomplekser til at konstruere programmerbare strukturer baseret på DNA-selvsamling, som giver den fleksible platform, der er nødvendig for design og udvikling af komplekse molekylære fotoniske systemer.

"Det er fantastisk at se DNA kan programmeres som en stilladsskabelon til at efterligne naturens lysindsamlingsantenner for at overføre energi over denne lange afstand, " sagde Yan. "Dette er en fantastisk demonstration af forskningsresultater fra et meget tværfagligt team."

De potentielle resultater af denne forskning kan afsløre nye måder at fange energi og overføre den over længere afstande uden nettotab. På tur, virkningen fra denne forskning kan føre til, hvordan vi designer mere effektive energikonverteringssystemer, der vil reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer.

"Jeg var glad for at deltage i denne forskning og at kunne bygge videre på noget langsigtet arbejde udvidet tilbage til nogle meget frugtbare samarbejder med videnskabsmænd og ingeniører ved Eastman Kodak og University of Rochester, " sagde David G. Whitten fra University of New Mexico, Institut for Kemisk og Biologisk Teknik. "Denne forskning inkluderede at bruge deres cyaniner til at danne aggregerede samlinger, hvor langdistanceenergioverførsel mellem et donorcyaninaggregat og en acceptor finder sted."

Arbejdet rapporteret i Journal of the American Chemical Society blev udført af ASU-studerende Xu Zhou og Sarthak Mandal, nu ved National Institute of Technology i Tiruchirappalli, Indien, og Su Lin fra Center for Innovations i Medicin ved Biodesign Institute, og Whittens elev Jianzhong Yang i samarbejde med Yan og Woodbury.